Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

211

ляет 0,1-0,5 с (иногда до 1 с), рабочая температура в большинстве

случаев ориентирована на нижний предел самовоспламенения обез-

вреживаемых газовых смесей и превосходит температуру воспламе-

нения (табл. 1.7) на 100-150°С.

В некоторых случаях отходящие газы со значительным содер-

жанием горючих компонентов могут быть использованы как топли-

во. В качестве самостоятельного топлива могут сжигаться отходя-

щие газы с теплотворной способностью 3,35-3,77 МДж/м

и ниже,

если они обладают повышенной температурой. Прямое сжигание га-

зообразных отходов с использованием дополнительного топлива счи-

тают целесообразным в случаях, когда обезвреживаемые компонен-

ты газовых выбросов могут обеспечить не менее 50% общего тепло-

выделения. Однако обычно содержание горючих примесей в отходя-

щих газах значительно меньше нижнего предела воспламенения, что

вызывает необходимость существенных затрат дополнительного топ-

Таблица /.

Температуры самовоспламенения t

наиболее распространенных

горючих загрязнений отходящих газов промышленности

Вещество

,°C

Вещество t

,°C Вещество

,°C

Аммиак 649 Метан

537

Фталевый ан-

гидрид

584

Ацетон 538

Метиловый

спирт

470 Фурфурол

393

Бензол 579

Метиловый

эфир

350

Фурфуроловый

спирт

490

Бутадиен

449

Метилэтилке-

TOH

516 Хлорбензол

674

Бутиловый спирт

367 Нитробензол

496

Циклогексан

268

Винилацетат

426

Олеиновая

кислота

363

Циклогексанон*

495

Водород циани-

стый

538

Пропан

468 Эпихлоргидрин*

410

Глицерин

393

Пропилен 504 Этан

510

Дибугилфталат 404

Сероводород 260

Этилацетат

486

Дихлорметан

640 Скипидар 253 Этилбензол 466

Дихлорэтилен

413 Стирол 491

Этилена оксид 430

Керосин

254

Толуол

552

Этиленгликоль 413

Крезол

559

Углерода ок-

сид

652 Этиловый спирт 426

Ксилол 496 Фенол

715

Этиловый эфир 186

*У казана стандартная температура самовоспламенения

212

лива и утилизации тепла процесса сжигания прежде всего с целью

сокращения этих затрат Расход дополнительного топлива при сжи-

гании таких газообразных отходов, нагретых до 50°С, составляет 25-

40 кг условного топлива на 1000 м

обрабатываемых газов.

Для определения расхода дополнительного топлива ^

(в

кг/с) мож-

но использовать уравнение:

= g

Id - X) (t, - I

- C'HJ / (H

- t

), (1.343)

где g

— расход воздуха (обезвреживаемого газа), кг/с; Н

, H

—тепло-

та сгорания соответственно топлива и нейтрализуемой смеси, кДж/кг;

С' — концентрация горючих примесей, кг/кг; с

— теплоемкость

воздуха (приравниваемая к теплоемкости газов), кДж/(кг.К); Ц —

температура воздуха (обезвреживаемого газа) на входе в регене-

ратор,

C; t

—температура нейтрализации, °С; х — степень регене-

рации, определяемая выражением:

г =(^-I

)Z(I

-I

), (L344)

где t

— температура подогретого в регенераторе воздуха (обезвре-

живаемого газа).

Степень с нейтрализации обезвреженных газовых выбросов мо-

жет быть оценена с использованием формулы:

а = (Ф -Ф )/Ф =1-Ф /Ф , (1.345)

нейтр

вх ух' вх ух вх

где Ф

вх

и O

— суммарная токсичность соответственно подлежащих

нейтрализации и нейтрализованных газовых выбросов, определяе-

мая по выражению:

Ф =^K

/UZJK

(1346)

где C

— концентрация токсичного компонента; K

— коэффициент,

характеризующий комбинированное действие данного вещества с ос-

тальными токсичными компонентами (при аддитивности или сум-

мировании 0<К<1; при независимом действии K

O; при синергизме

или потенциировании К>1; при антагонизме К<0), подходы к оценке

величины которого могут быть найдены в специальной литературе.

Вопросы для повторения

1. Какова связь между отдельными кинетическими областями реали-

зации гетерогенно-каталитических превращений и оптимальной

структурой катализаторов?

213

2. В чем заключается существо проведения каталитической газоочи-

стки в условиях предкатализа?

3. Охарактеризуйте существо и преимущества осуществления ката-

литической газоочистки в нестационарном режиме.

4. Назовите методы каталитической очистки газов от оксидов азота и

охарактеризуйте их показатели.

5. На каких принципах основаны предложенные технологии катали-

тической очистки отходящих газов от диоксида серы?

6. Поясните, в каких случаях практикуют каталитическую очистку

газовых выбросов от органических загрязнений.

7. Сопоставьте показатели процессов очистки отходящих газов от

оксида углерода с использованием контактных масс, содержащих и

не содержащих металлы платиновой группы.

8. Назовите условия, характеризующие рациональность практичес-

кой рализации высокотемпературного обезвреживания газовых выб-

росов.

II.Процессы

защиты гидросферы

(очистка сточных вод)

Сохранение гидросферы при непрерывном увеличении водопотреб-

ления и загрязнения водоемов промышленными и бытовыми отходами

является одной из основных экологических проблем современности.

Уже сейчас в мире используется 13% речного стока. В результате во

многих регионах наблюдается недостаток пресной воды. Например,

безвозвратное водопотребление в бассейнах рек Кубани, Дона, Урала,

Терека и других превысило экологически безопасный уровень. Однако

наибольший ущерб гидросфере наносится антропогенными загрязне-

ниями.

Обычно выделяют химическое, физическое и биологическое загряз-

нения.

Химическое загрязнение представляет собой изменение естествен-

ных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней

вредных примесей как неорганических (минер альньге соли, кислоты,

щелочи, глинистые частицы), так и органических (нефтепродукты,

нефть, ПАВ, пестициды, органические остатки).

Физическое загрязнение связано с изменением физических пара-

метров водной среды и определяется тепловыми, механическими и ра-

диоактивными примесями.

Биологическое загрязнение заключается в изменении свойств вод-

ной среды в результате увеличения количества не свойственных ей ви-

дов микроорганизмов, растений и животных (бактерии, грибы, про-

стейшие, черви), привнесенных извне.

Загрязнения, поступающие в атмосферу, с осадками возвращаются

на землю и попадают в водоемы и почву. Сточными водами предприя-

тий промышленности и агропромышленного комплекса загрязняются

реки, озера и моря. В них попадают отходы, содержащие соли различ-

ных металлов, удобрения, пестициды, моющие средства, масла и неф-

тепродукты, радиоактивные вещества и др.

215

Во внутренние водоемы страны в 1997г. сброшено 593 км

сточ-

ных вод, в том числе 23,0 км

загрязненных. С ними поступило

загрязнений в тыс. т. нефтепродуктов — 7,8; взвешенных веществ —

542,1; общего фосфора — 31,2; СПАВ — 3,6; соединений железа —

19,6; соединений цинка 0,7 и др. Один м

таких вод загрязняет от 10

до 50 м

пресной воды.

Тяжелые металлы — свинец, ртуть, цинк, медь, кадмий, попав-

шие в водоем, активно поглощаются животными и рыбами, которые

или сами погибают, или отравляют людей, использующих их в пищу.

Известны случаи отравления ртутью, которая попадала в организм

людей вместе с рыбой.

Загрязнение мирового океана нефтью и нефтепроду ктами дос-

тигло уже 1/5 его общей поверхности. В результате аварий судов,

промывки резервуаров танкеров, утечек нефти при добыче ее в шель-

фовой зоне ежегодно в воды океана

посту

пает 12—15 млн. т нефти.

Каждая тонна нефти покрывает тонкой пленкой 12 км

водной по-

верхности и загрязняет до миллиона тонн воды. Нефтяная пленка

приводит к гибели оплодотворенной икры, нарушает процессы фо-

тосинтеза и выделения кислорода, осуществляемого фитопланкто-

ном, т.е. происходит нарушение газо- и влагообмена между атмосфе-

рой и гидросферой.

Для защиты гидросферы от сброса промышленных сточных вод

разрабатываются и внедряются безводные и маловодные технологи-

ческие процессы; совершенствуются действующие предприятия с це-

лью комплексного использования всех компонентов сырья и обеспе-

чения соблюдения ПДК (предельно допустимая концентрация) и ПДС

(предельно допустимый сброс) вредных веществ в отходящих пото-

ках; внедряются аппараты воздушного охлаждения; используются ло-

кальные методы эффективной очистки и доочистки сточных вод с

утилизацией воды и всех уловленных веществ; внедряются оборот-

ные и замкнутые системы водоснабжения предприятий. Последнее

направление является наиболее перспективным и практически раз-

рабатывается во всех отраслях промышленности. Использование

сточных вод в таких системах связано с необходимостью создания

эффективных локальных методов, аппаратов и оборудования для глу-

бокой очистки и доочистки промстоков. Сброс сточных вод из таких

систем не производится, а свежая вода потребляется лишь для по-

крытия потерь. Рассмотрение таких методов производится в этом

разделе.

216

Глава 6. Использование воды в оборотных

системах водоснабжения

6.1. Свойства и классификация вод

Вода играет решающую роль во многих процессах, протекаю-

щих в природе, и в обеспечении жизни человека. В промышленнос-

ти воду используют как сырье и источник энергии, как хладоагент.

растворитель, экстрагент, для транспортирования сырья и материа-

лов и др.

Ресурсы воды. Это запасы пресных поверхностных (речных, озер-

ных, болотных, ледниковых) и подземных вод какой-либо терри-

тории. Общее количество природной воды на Земле составляет

1386 млн. км

. В основном (свыше 97,5%) это соленые воды. Коли-

чество пресной воды — 35 млн. км

. Однако подавляющая часть пре-

сной воды является труднодоступной для людей, так как она в ос-

новном находится в полярных ледниках и водоносных слоях под зем-

лей. В СНГ запас пресных поверхностных вод составляет 40,5 тыс.

км

. Из них: в озерах — 26 тыс. км

(в том числе в Байкале — 23

тыс.км

); в ледниках — Птыс. км

; в болотах около 3 тыс. км

; в

руслах рек всего 235 км

. Объем потребления пресной воды в мире

достигает приблизительно 3900 млрд. м

/год. Около половины этого

количества потребляется безвозвратно, а другая половина превра-

щается в сточные воды.

Природная вода—это вода, которая качественно и количественно

формируется под влиянием естественных процессов при отсутствии

антропогенного воздействия. Ее качественные показатели находятся

на естественном среднемноголетнем уровне. В зависимости от сте-

пени минерализованности (в г/л) воды делятся: на пресные (с содер-

жанием солей <1), солоноватые (1-10), соленые (10-50) и рассолы

(>50). В свою очередь, пресные воды подразделяются на воды малой

минерализованности (до 200мг/л), средней минерализованности

(200-500 мг/л) и повышенной минерализованности (500-1000 мг/л).

По преобладающему аниону все воды делятся на гидрокарбонатные,

сульфатные и хлоридные.

Жесткость природных вод обусловливается присутствием в них

солей кальция и магния и выражается концентрацией ионов Ca

в ммоль экв/л. Различают общую, карбонатную и некарбонат-

217

ную жесткость. Общая жесткость представляет собой сумму двух

последних, карбонатная связана с присутствием в воде бикарбона-

тов кальция и магния, а некарбонатная — сульфатов, хлоридов, нит-

ратов кальция и магния.

Физические свойства воды. Плотность чистой воды при 35°С и

атмосферном давлений — 999 кг/м

. С увеличением концентрации

примесей плотность воды возрастает. Морская вода с концентраци-

ей солей 35 кг/м

имеет среднюю плотность 1028 кг/м

при 0°С. Из-

менение солесодержания на 1 кг/м

изменяет плотность на 0,8 кг/м

Вязкость ц воды с повышением температуры t уменьшается сле-

дующим образом:

t,°c 0

10 15 20 25 30

цЮ~

,Пас

1,797 1,523 1,301 1,138

1,007

0,895 0,800

0.723

С увеличением солесодержания вязкость воды повышается. По-

верхностное натяжение а воды при 18°С составляет 73, при IOO

C —

52,5 мН/м. Теплоемкость воды при O

C составляет 4180 Дж/(кг °С),

а при 35

C достигает минимума. Теплота плавления при переходе

льда в жидкое состояние составляет 330 кДж/кг, теплота парообразова-

ния равна 225

кДж/кг при атмосферном давлении

температуре 100°С.

Электрические свойства воды. Вода — слабый проводник элект-

рического тока: удельная электрическая проводимость при 18°С равна

4,9-10"* См/м (4,41-1 O^

1/Ом см); диэлектрическая постоянная равна 80.

Наличие растворенных солей в воде увеличивает ее электрическую про-

водимость, которая изменяется в зависимости от температуры.

Оптические свойства воды. Прозрачность и мутность воды за-

висят от содержания в ней механических примесей, находящихся во

взвешенном состоянии. Чем больше примесей в воде, тем больше ее

МУТНОСТЬ и меньше прозрачность. Прозрачность определяется дли-

ной пути ЛУЧ а, проникающею вглубь воды, и зависит от длины вол-

ны луча. Ультрафиолетовые лучи проходят через воду

легко, а инф-

ракрасные — плохо. Показатель прозрачности используют для оцен-

ки качества воды и содержания в ней примесей.

Загрязнение воды. Вследствие антропогенного воздействия при-

родная вода загрязняется различными веществами, что приводит к

ухудшению ее качества. Под качеством воды понимают совокупность

физических, химических, биологических и бактериологических по-

казателей. Загрязнения, поступающие в водную среду; изменяют эти

показатели.

218

Можно выделить следующие тенденции в изменении качества

природных вод под влиянием хозяйственной деятельности людей:

снижение рН пресных вод в результате их загрязнения серной и

азотной кислотами из атмосферы, увеличение содержания

них суль-

фатов и нитратов; повышение содержания ионов кальция, магния,

кремния в подземных и речных водах вследствие вымывания и ра-

створения подкисленными дождевыми водами карбонатных и дру-

гих горных пород;

повышение содержания в природных водах ионов тяжелых ме-

таллов, прежде всего, свинца, кадмия, ртути, мышьяка и цинка, а

также фосфатов (>0,1 мг/л), нитратов, нитритов и др.;

повышение содержания солей в поверхностных и подземных во-

дах в результате их поступления со сточными входами, из атмосфе-

ры и за счет смыва твердых отходов (например, солесодержание

многих рек ежегодно повышается на 30-50 мг/л и более; из 1000 т

городских отходов в

гру

нтовые воды попадает до 8 т растворимых

солей);

повышение содержания

водах органических соединений, прежде

всего, биологически стойких (ПАВ, пестицидов, продуктов их рас-

пада и других токсичных, канцерогенных и мутагенных веществ);

снижение содержания кислорода в природных водах, прежде все-

го, в результате повышения его расхода на окислительные процессы,

связанные с эвтрофикацией водоемов, с минерализацией органичес-

ких соединений, а также вследствие загрязнения поверхности водо-

емов гидрофобными веществами и сокращения доступа кислорода

из атмосферы (в отсутствие кислорода в воде развиваются восстано-

вительные процессы, в частности, сульфаты восстанавливаются до

сероводорода);

снижение прозрачности воды в водоемах (в загрязненных водах

размножаются вирусы и бактерии, возбудители инфекционных за-

болеваний);

потенциальная опасность загрязнения природных вод радиоак-

тивными изотопами химических элементов.

Природная вода, подвергаемая антропогенному загрязнению, на-

зывается денатурированной или природно-антропогенной. В случае

необходимости перед использованием воды в промышленности ее

очищают в соответствии со специфическими требованиями данного

производства.

Классификация вод по целевому назначению. Воду, использу-

219

Рис. И-1. Классификация вод по целевому назначению

емую в промышленности, подразделяют на охлаждающую, техно-

логическую и энергетическую (рис. II-1).

Вода часто служит для охлаждения жидких и газообразных про-

дуктов в теплообменных аппаратах. В этом случае она не соприкаса-

ется с материальными подтоками и не загрязняется, а лишь нагрева-

ется. В промышленности 65-80% расхода воды потребляется для ох-

лаждения. На крупных химических предприятиях потребление ох-

лаждающей воды достигает 440 млн. м

/год. Суммарное количество

воды, заключенной в системах охлаждения на предприятиях хими-

ческой промышленности, составляет 20 млрд. м

/год.

Технологическую воду подразделяют на средообразующую, про-

мывающую и реакционную. Средообразующую воду используют для

растворения и образования пульп, при обогащении и переработке

руд, гидротранспорте продуктов и отходов производства; промыва-

ющую — для промывки газообразных (абсорбция), жидких (экст-

ракция) и твердых продуктов и изделий; реакционную — в составе

реагентов, а также при азеотропной отгонке и аналогичных процес-

сах. Технологическая вода непосредственно контактирует с продук-

тами и изделиями.

Энергетическая вода потребляется для получения пара и нагре-

вания оборудования, помещений, продуктов.

220

Рис. И-2. Схемы оборотного водоснабжения: а — с охлаждением воды; б — с

очисткой воды; в — с очисткой и охлаждением воды; П — производство; HC —

насосная станция; OX — охлаждение воды; ОС — очистка сточной воды

6.2. Оборотное водоснабжение

Наиболее перспективный путь уменьшения потребления свежей

воды — это создание оборотных и замкнутых систем водоснабжения.

Схемы оборотного водоснабжения показаны на рис. II-2. При обо-

ротном водоснабжении следу ет предусмотреть необходимую очист-

ку сточной воды, охлаждение оборотной воды, обработку и повтор-

ное использование сточной воды.

В схеме а вода является теплоносителем и в процессе использо-

вания не загрязняется, а нагревается: перед повторным использова-

нием ее охлаждают в градирнях, прудах. В схеме б воду перед по-

вторным использованием очищают изложенными ниже методами. В

схеме в воду очищают и охлаждают. Во всех случаях свежая вода

добавляется лишь на восполнение потерь.

Применение оборотного водоснабжения позволяет в 10-50 раз

уменьшить потребление природной воды. Например, для выработки

1 т каучука при прямоточном водоснабжении в старых производ-

ствах требуется 2100 м

свежей воды, а при оборотном водоснабже-

нии — лишь 165 м

. При оборотном водоснабжении значительно

уменьшаются капитальные и эксплуатационные затраты. Во всех

отраслях промышленности доля оборотной воды непрерывно возра-

стает. Так, в химической промышленности она возросла до 82,5%.

Эффективность использования воды в производстве оценивается

рядом показателей:

процент оборота воды

^=Qoe/(Qoe

Q,). (IIl)

коэффициент использования воды